NC旋盤スライドの高速化及び位置決め精度向上の研究

55
ＮＣ旋盤スライドの高速化及び位置決め精度向上の研究
森本研究室 Ｂ４ 中村 直弥
１．緒言
送り系を設計するにあたって各部品メーカーの推奨データを用いても所望の性能
が得られるとは限らないため，送り駆動系と位置決め実験と制御シミュレーションを
組み合わせることにより，各部の制御パラメータを同定し，同定した制御パラメータ
を用いて高速・高精度化を測る際の設計指針を作成することを目的としている．
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1
エンコーダ(摩擦あり)
エンコーダ(摩擦なし)
0.2
0.3
0.4
0.5
Time s
図３ エンコーダ出力
Position mm
３．エンコーダ出力とテーブル動作
図３にエンコーダ出力の摩擦ありと摩擦なし
の結果です．エンコーダの摩擦ありが摩擦なしよ
りも立ち上がりが遅いのは摩擦によって動くの
を抑えられているためです．標準偏差で摩擦あり
の場合は 21.5μm，摩擦なしは 26.8μm のばらつ
きがありました．図４はテーブル動作の動きとな
っておりこれもエンコーダと同じく摩擦のあり
と摩擦なしの結果です．テーブルの場合は摩擦あ
りが 20.8μm で摩擦無なしが 31.9μm となりまし
た．
Position mm
Position mm
２．送り駆動系の摩擦モデル
図１に示すのは送り駆動系の摩擦モデルで
す。入力信号はτですが、値は特に関係なく，
エンコーダの動作と連動できるように入力し 図１ 摩擦モデルのブロック線図
ています．行きと帰りでの摩擦を制御するた
40
エンコーダ摩擦トルク
35
めに図１の左から２つめの「Ｓｉｇｎ」ブロ
30
ックを用いている．また，摩擦トルクを表わすた
25
20
めに一次遅れ系と伝達関数を用いて摩擦トルク
15
を再現しています．エンコーダの摩擦トルクを表
10
5
わしたのを図２に示します．また，テーブルが動
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
作した際に発生する摩擦力もエンコーダの摩擦
Time s
トルクに使用されているブロック線図と同様の
図２ エンコーダ摩擦トルク
1.1
モデルを使用している．
1.0
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1
テーブル(摩擦あり)
テーブル(摩擦なし)
0.2
0.3
0.4
Time s
参考文献
図４ テーブルの動作
著 佐藤隆太，堤正臣，AC サーボモータ直動転
がり案内を用いた送り駆動系の数学モデル，精密工学会誌，71,5(2005)，633．
0.5
56
多軸工作機械の精度評価と姿勢制御
森本研究室
B4 多田真士 B4 室市悠介
１．目的
近年，多軸マシニングセンタの出現により 3 次元自由曲
面等の複雑な加工が可能となっている．そのことから，多
軸制御のため各軸の誤差が累積し精度に影響する．
本研究では，マシニングセンタの各軸を独立して動作さ
せて工作物を加工し，3 次元測定機により間接的に測定を
行い，その評価結果を用いて精度補償を行う．
図 1 ヘールバイト固定冶具
5
イトにより主軸を回転させずに外乱による加工誤差
要因を抑えた溝加工を行う方法を考案した．
このヘールバイトをマシニングセンタに取り付ける
ための固定冶具を図 1 に示すように製作した．
3
2
1
0
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
Feed mm/min
図 2 変形量の変化
Displacement µm
３．幾何学的精度評価用加工条件の選定
ヘールバイトを使用し最良常態で加工をするために，
切削速度を変化させ変形量と表面粗さの測定結果を図
2，図 3 に示す．選定した結果，切削速度は 6500mm/min
とし，切込み量は 2μm とした．
10μm切削
2μm切削①
2μm切削②
4
Displacement µm
２．主軸静止状態における工作物加工方法の提案
性能評価を行うために，回転工具により工作物を加
工した場合，加工による熱や振動が発生し工作精度に
影響し，暖機運転に時間がかかる．そこで，ヘールバ
表面粗さ①
表面粗さ②
6
4
2
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
Feed mm/min
図 3 表面粗さ
４．幾何学的精度評価用工作物の提案
マシニングセンタの精度を測定する工作物を考案した．
この工作物はヘールバイトで溝加工することにより，マシ
ニングセンタの各軸（X，Y，Z，A，C 軸）の誤差を 3 次
元測定機により間接的に測定できるものとなっている．そ
の結果に基づき精度補正を行う．
図 4 設計した工作物
9500
10000
57
新しい構造を持つ NC 工作機械に関する研究
森本研究室 B4 内水智也 B4 呉山幸司
１．目的
工作機械フレーム構造に中空パイプによるトラス構造を採用し，さらに，熱変位補
償と振動制御を同時に可能とする新しい工作機械構造を開発する．機械構造のなかで
も剛性を確保しつつ計量化を実現でき，省スペースも同時に可能となるトラス構造に
着目して，これを工作機械に適用することを目指す．
２．トラス構造
工作機械の構造にパイプを基本要素にしたト
ラス構造を用いることにより，外力および熱によ
る変形がパイプ軸方向を主とした変形となるよ
うに設計することにより，変形の簡易化と制御の
容易さを両立させることを考える．
スピンドル
ステージ
３．制御方法
熱変形補償
熱変形による中心部の移動は，加工誤差の主要
因となる．開発した工作機械の場合，パイプに熱
刃物台
源を与えると，パイプ軸方向に変位することが確
認されたので，パイプ部に別の熱源を設置し，こ
れを用いて新たな熱変形を発生させることにより
熱変位の制御を行う．
振動補償
スピンドルなどの振動は，加工精度に大きく
影響する．パイプに振動を与えるとパイプ軸方
向に振動が発生することからスピンドルの振動
に対して，圧電素子によりを用いて逆位相の振 F y
動を与えることにより振動制御を行う．
図 1 プロトモデル
Fz
熱源
熱源
Fx
加振源
ペルチェ素子
ペルチェ素子
圧電素子
図2 圧電素子，ペルチェ素子
58
リニアモータ駆動 NC 旋盤の性能評価
森本研究室
B4 久保典之
B4 稲木理人
１．概要・目的
リニアモータを使用した工作機械では，高速・高加速
非円形工作物
度運動が可能であり，生産性の向上や，非円形輪郭加工
を実現できる可能性がある．生産性の向上や今後複雑な
輪郭形状の部品を生産するためには旋削加工に置き換
えることが不可欠であると考えられる．
そこで私達は，リニアモータ駆動 NC 旋盤による非円
形加工実現のための，旋盤の性能評価や旋盤の性能に合
致したプログラムを作成する研究を行っている．また
バイト
NC 旋盤のイメージを図１に示す．
図１．旋盤のイメージ
２．専用 CAM システムの開発
複雑な輪郭形状になれば，切削点位置 X,Y,Z を
同期させる必要がある．また，リニアモータ NC
旋盤の性能に合わせたプログラムを作成する必
要がある．そこで，CAM に頼らず IGES データ
から座標点を読み取り，整理し独自のプログラム
作成方法を研究した．
不要情報
座標点情報
図２．IGES データ
２－１．IGES データの読み取り
通常は 3DCAD データとして使用する IGES デー
タをワードやメモ帳で座標点データとして開いた
ものを図２に示す．この状態では不要な情報と混在
するため座標点のみを洗い出し整理した．
２－２．工作物の稜線座標のスプライン処理
図３．稜線のスプライン処理
整理した座標点は間隔が不均一であるため送
り量間隔で座標を作成する必要がある．そこで
スプラインを処理し，送り量間隔で座標点を作
成した．これを図３に示す．また，図４より元
データとの誤差もないことがわかる．各稜線の
座標点を集めプログラムを完成させた．
図３．元データとの誤差
59
高速管理車輌の
高速管理車輌の動作状況モニタリング
動作状況モニタリングの
モニタリングの研究
森本研究室 Ｂ４ 長谷川拓哉
1．
．概要・
概要・目的
高速道路のように走行パターンがある程度限定されている状況においても、燃料消
費量の改善は重要な課題であり、特に、２年から３年の間に 20 万 km 近くを走行する
管理車輌の燃料消費量を抑制することは、単に経費節減のみならず、地球環境への負
荷低減につながる。
よって、高速道路の管理車輌の燃料状況をモニタリングし、運転状況を把握し、燃
料消費を抑える運転パターンを決定する。また、中回転域以下でエンジン制御用コン
ピュータにデータを教示することによりさらに燃料消費を抑え、燃料向上を達成する。
そこで、各種データを走行中にモニタリングすることにより、操作者ごとに異なる
運転パターンを評価し、燃料消費が少ない走行パターンを求め、操作者に教示するシ
ステムを開発する。
2．
．管理車輌車種での
管理車輌車種での走行実験
での走行実験
管理車輌に使用されているエクストレイルでの走
行実験を行い、燃料消費が少ない走行パターンを求
めた。現在の巡回時の速度 80km/h の実験結果を図１
に示し、実験の際に最も燃料消費が少なかった速度
90km/h の結果を図２に表す。
今回、測定に使用した装置で車速を測ったところ、 図 1．80km/h の実験結果
スピードメータに表示される速度と実際に走行して
いる速度に 10km/h 近い誤差が生じていることが分
かった。つまり、80km/h で走行していても、実際は
70km/h で走行していることになる。
80km/h では、速度維持が難しく維持しようとする
と余計に燃料を使用してしまう。90km/h では、速度
維持が容易のために燃料噴射に無駄が少ない。
3．
．標識装置の
標識装置の解析
現在使用されている標識装置の形状での空気抵
抗などを調べるために標識装置の解析を行った。
解析した結果、標識装置内部で渦が発生している
ことが分かり、そこの抵抗が走行に悪影響を及ぼ
していることが分かる。標識装置の空気の流れを
表したものを図 3 に示す。
図 2．90km/h の実験結果
図 3．標識装置周辺の空気の流れ
40
40
摩擦モデル，一次遅れ系と伝達関数付加
35
30
一次遅れ系
25
伝達関数
Position mm
Position mm
35
20
15
10
5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
25
20
15
10
初期の摩擦トルク
-5
0.0
30
5
0
0.1
0.5
0.2
Time s
0.3
0.4
0.5
Time s
いつまでも摩擦が働いてしまう
一次遅れ系を加えることによって，最大摩擦の位置を調整できる．
伝達関数を加えたことによって，徐々に摩擦を小さくすることが可能
摩擦の開始時間はステップで調整している．
ステップ入力で摩擦の開始時間を調整していたのを入力データ
と連動して摩擦力を加えられるように「Ｒｅｌａｙ１，Ｓｉｇｎ」を加えた．
40
エンコーダ摩擦トルク
Position mm
30
摩擦ON/OFF 摩擦正負を決める
20
10
0
-10
-20
-30
-40
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1
Position mm
Position mm
Time s
エンコーダ(摩擦あり)
エンコーダ(摩擦なし)
0.2
0.3
0.4
0.5
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.1
エンコーダの摩擦ありが摩擦なしよりも立ち上がりが遅いのは摩
擦によって動くのを抑えられているためです．標準偏差で摩擦あ
りの場合は９．６１μｍ，摩擦なしは６８．９μｍのばらつきがあり
ました．テーブルの場合は摩擦ありが２２．１μｍで摩擦無しが８
８．９μｍとなりました．
テーブル(摩擦あり)
テーブル(摩擦なし)
0.2
0.3
0.4
Time s
Time s
エンコーダ動作
テーブル動作
0.5
近年，多軸マシニングセンタの出現により３次元自由曲面等の複雑な加工が可能と
なっている．しかし，多軸制御のため各軸の誤差が累積し精度に影響する．
本研究では回転軸（A，C軸）の精度評価方法確立と，それに基づく精度評価を行
い，マシニングセンタの精度補償に応用することを目的とする．
・切削装置の
切削装置の特性
主軸静止による切削の利点
熱の発生減少
振動の発生減少
暖機運転時間減少
・ヘールバイト条件選定
ヘールバイト条件選定
図1 ヘールバイト固定冶具
実験結果である図2，図3より切削速度は6500mm/minとする.
5
10μm切削
2μm切削①
2μm切削②
Displacement µm
Displacement µm
4
3
2
1
0
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
Feed mm/min
図2 加工時の工具変位量
Z
表面粗さ①
表面粗さ②
6
4
2
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
Feed mm/min
図3 加工面表面粗さ
①各軸（X，Y，Z，A，C）の幾何学的誤
差を測定するために切削を行う．
②切り込み深さは，2μmで切削する．
C
A
X
Y
A
C
図4 工作物形状
③３次元測定機により工作物測定し，各
軸誤差成分を同定する．
④測定結果に基づき精度補償する．
緒言
工作機械フレーム構造に中空パイプによるトラス構造を採用し，さらに，熱変位補償と振動制御を同時に可能とする新
しい工作機械構造を開発する．機械構造のなかでも剛性を確保しつつ計量化を実現でき，省スペースも同時に可能とな
るトラス構造に着目して，これを工作機械に適用する．
プロトモデル
熱変形解析
パイプとパイプを連結させた直方体の構造物をベース
台に連結しており，さらに，剛性を高めるためピローボ
ルを用いΦ3のパイプを連結させトラス構造としている．
パイプとパイプの連結には，15個のジョイントを設け接
着構造としている．この構造物上には，ステージを設け
，スピンドルと刃物台を取り付けている．
実験結果においてｘ、ｙ、ｚ軸方向の熱変位を検討
Ｘ軸
Ｙ軸
直接精度に
影響する
ステージがある
ため熱変形制御
する必要なし
スピンドル
(モータ回転速度 30000min-1)
被削材
Ｚ軸
Cosエラーの
ため，ほとんど
影響しない
刃物台の熱変位において，最も重要な変位方向はｘ方向で
ある．また，ペルチェ素子の出力から30μmの熱変形を制御
できると推測されるので解析結果の軸中心変形を制御でき
ると考えられる．
表2 軸中心変位
ｘ
セン サ ー1
刃物台
(最小送り量 10μm)
ステージ
(最小送り量 10μm)
セン サ ー2
ｙ
-1 .135 × 1 0
-６
-0.1 07× 10
-6
ｚ
-1.9 24× 10
9.2 2× 10
-6
-8
5 .544 × 1 0 - 6
3 .731 × 1 0 - 6
振動制御 図1 プロトモデル
スピンドルなどによる振動は，加工精度に大きく影響す
る．スピンドルの振動に対して，圧電素子により逆位相の
振動を与えることにより振動制御を行う．
熱
源
センサー1
センサー1
Fz
Fx
加振源
Fy
センサー2
センサー2
圧電素子
図2 圧電素子
スピンドル振動
同位相
逆位相
同位相＋逆位相
同位相
＋
0.5
=
0.0
0.2
0.4
0.6
Time s
0.8
1.0
0.5
0.0
-0.5
-0.5
逆位相
-1.0
Frequency Hz
0.0
-0.5
Frequency Hz
1.0
0.5
0.0
熱変形制御
振動なし
1.0
1.0
Frequency Hz
圧電素子の振動
図3 非定常解析による熱合成変位(50℃の場合)
-1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
Time s
0.8
-1.0
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
熱変形による中心移動は，加工誤差の主要な原因になる．
パイプに熱源を与えるとパイプ軸方向に変形することが確認さ
れたので，パイプ内に新たに姿勢制御用熱源(ペルチェ素子)を
与えることにより熱変形補償制御を行う．
1.0
Time s
表1 固有振動
共振周波数　Hz 刃物台に対するスピンドルの位相
1567.3
同位相
1622.9
同位相
2123.1
逆位相
2405
逆位相
2468.8
逆位相
刃物台に対するスピンドルの位相が逆位相であれば，
びびり振動が発生し，同位相であれば，加工精度に影響
しない．
熱源
熱源
ペルチェ素子
ペルチェ素子
図4 ペルチェ素子
ペルチェ素子
カムなど非円形形状の加工は現在研削加工されている．これをリニアモータ駆動旋盤で旋削加工することにより，
加工時間の短縮，より複雑な形状の加工物の加工を目指す．そのために必要なNCデータの作成を行う．
Z
軸
X
軸
カム図面
カム図面
Z軸
座標データ
座標データ
データ間隔がががが 不均 一
X軸
IGESデータ
データ
曲線作成に
曲線作成に使われる
スプライン補間
スプライン補間により
補間により
座標データ
座標データから
データからカム
からカムの
カムの
稜線を
稜線を再現
スプライン曲線
スプライン曲線
スプライン曲線
スプライン曲線から
曲線から座標
から座標を
座標を等分割
加工テスト
テストへ
へ
加工
テスト
付加
準備機能データ
準備機能データ
X軸切
軸切り
軸切り込み量
Z軸送
軸送り
軸送り位置
主軸回転位置
G機能
機能 X軸
軸
Z軸
軸 主軸
管理車輌は，２年から３年の間に20万
万km近
近くを走行する．その燃料消費量を抑制すること
は，単に経費節減のみならず，地球環境への負荷低減につながる．
よって，高速道路の管理車輌の燃料状況をモニタリングし，運転状況を把握し，燃料消費
燃料消費を
燃料消費を
抑える運転
える運転パターン
運転パターンを
パターンを決定する
決定する．
する．また，中回転域以下でエンジン制御用コンピュータにデータ
を教示することによりさらに燃料消費を抑え、燃料向上を達成させる．
管理車輌に使
用されている車種
で実験を行い，燃
料消費が少ない
走行パターンを求
めた．各条件での
燃料消費量は図
1に示す．
速度 km/h
80
90
100
0～100
への
全開加速
エア
コン
ON/
OFF
2WD
/
4WD
図1．各条件の燃料消費量
図2．80km/hの実験結
果
図3.90km/hの実験結果
現在使用されている標識装置の形状での空気抵抗などを調べ
るために標識装置の解析を行った．解析した結果、標識装置
標識装置
内部で
内部で渦が発生していることが分かり，そこの抵抗が進行方向
発生
と逆方向に191N 約20km/hの力が発生しているので走行
に悪影響を及ぼしていることが分かった．標識装置の空気の
流れを表したものを図5に示す．
図4より，
100km/hは加速
加速
時に燃料を
燃料を長い
時間噴射する
時間噴射するの
する
で，燃料を最も多
く消費する結果と
なった．
図4.100km/hの実験結果
図5．標識装置周辺の空気の流れ